高速鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)方法與分析

董長(zhǎng)全

(沈陽鐵路建設(shè)監(jiān)理有限公司，沈陽 110001)

主要研究鐵路工程。

摘要：通過高鐵隧道施工，介紹了隧道監(jiān)控量測(cè)斷面及測(cè)點(diǎn)布設(shè)的方法、監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)的頻率，分析了隧道開挖后的地質(zhì)和支護(hù)狀況，對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：高鐵；隧道；監(jiān)控量測(cè)；數(shù)據(jù)分析

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.006

收稿日期：2015-09-07

作者簡(jiǎn)介：董長(zhǎng)全(1963-)，男(漢)，吉林敦化，工程師

中圖分類號(hào)：U456.3獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，我國(guó)鐵路運(yùn)輸發(fā)展迅速，經(jīng)過十幾年的高鐵建設(shè)，到現(xiàn)在已成為世界規(guī)模最大、運(yùn)營(yíng)速度最高的鐵路運(yùn)輸網(wǎng)。尤其是高速鐵路隧道施工技術(shù)不斷發(fā)展，安全措施也日趨完善，然而，畢竟地下工程環(huán)境特殊，施工條件復(fù)雜惡劣，安全隱患處處可見，特別是淺埋、松散、節(jié)理發(fā)育破碎的巖體，自穩(wěn)能力差，在施工擾動(dòng)破壞下，極易發(fā)生剝落掉塊，甚至塌方事故。雖然可以采用超前大管棚、超前小導(dǎo)管以及開挖后的拱架支護(hù)等安全防護(hù)系統(tǒng)，但仍然還有事故發(fā)生，因此，在有安全保障措施的前提下，還應(yīng)對(duì)圍巖變化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和觀測(cè)，也就是在隧道開挖后，通過對(duì)圍巖的變形、應(yīng)力進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握圍巖動(dòng)態(tài)變化，了解圍巖受力及應(yīng)力重新分布情況，對(duì)圍巖穩(wěn)定性作出正確評(píng)價(jià)。

本文論述了高速鐵路隧道施工中監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，說明監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在施工中充分發(fā)揮的預(yù)警作用，提高隧道施工安全保障系數(shù)。

1工程概況

某隧道地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層，主要以花崗巖為主。華力西晚期為全風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖。該區(qū)域地質(zhì)資料及物探結(jié)果表明，隧道范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，存在多處物探異常破碎帶。

2監(jiān)控量測(cè)的目的及量測(cè)項(xiàng)目

監(jiān)控量測(cè)在指導(dǎo)隧道的安全施工中起到關(guān)鍵性的作用，通過施工中認(rèn)真觀測(cè)，可以做到:1)判斷圍巖變化趨勢(shì)，確保施工安全；2)驗(yàn)證當(dāng)前支護(hù)是否有效，是否需要調(diào)整或改變支護(hù)方法；3)當(dāng)判斷圍巖變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定時(shí)，可以確定施做二次襯砌的時(shí)間；4)通過對(duì)圍巖變化觀測(cè)，判斷是否對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響；5)收集有關(guān)數(shù)據(jù)，探索圍巖變化規(guī)律。

圍巖觀測(cè)必測(cè)項(xiàng)目：1)對(duì)地質(zhì)和初期支護(hù)的觀察，了解圍巖地質(zhì)穩(wěn)定情況；2)隧道淺埋地段的地表下沉量的變化；3)進(jìn)行水平收斂觀測(cè)，確定凈空變化；4)進(jìn)行縱向下沉量觀測(cè)，確定拱頂下沉量的變化。

3監(jiān)控量測(cè)斷面布設(shè)及測(cè)點(diǎn)布置

依據(jù)TB10121—2007《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》第4.3.2條規(guī)定，按隧道圍巖級(jí)別布置監(jiān)控量測(cè)斷面，見表1。

表1　隧道圍巖級(jí)別布置監(jiān)控量測(cè)斷面表

表1(續(xù))

3.1　測(cè)點(diǎn)布置

凈空變化和拱頂下沉各測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在同一斷面上，且避開鋼架和脫空回填處，將測(cè)點(diǎn)固定在圍巖上。其測(cè)線布置形式如圖1所示。

a.拱頂觀測(cè)點(diǎn)與1條水平測(cè)量線；b.拱頂觀測(cè)點(diǎn)與2條水平測(cè)量線及2條斜測(cè)量線；c.CD法或CRD法的拱頂觀測(cè)點(diǎn)和測(cè)量線；d.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的拱頂觀測(cè)點(diǎn)和測(cè)量線 圖1　測(cè)線布置形式圖

1)按上述原則測(cè)線設(shè)置如下: GDK80+230～GDK80+306里程段按圖(c)設(shè)置；GDK80+306～GDK80+626、GDK80+836～GDK81+180、GDK81+360～GDK81+650、 GDK81+950～GDK81+982.5里程段按圖(b)設(shè)置；GDK80+626～GDK80+836 、GDK81+180～GDK81+360 、GDK81+650～GDK81+950里程段按圖(a)設(shè)置。

2)對(duì)于淺埋隧道的地表沉降觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)在開挖隧道口前設(shè)置。并且地表測(cè)點(diǎn)與隧道內(nèi)的測(cè)點(diǎn)布置在同一里程的斷面上。地表觀測(cè)點(diǎn)的橫向距離一般為2～5 m。而臨近隧道中心線的測(cè)點(diǎn)可適當(dāng)加密，觀測(cè)范圍不小于H0+B，如地表有建筑物或其他設(shè)施時(shí)，觀測(cè)范圍要加大。若隧道口淺埋地段偏壓，則埋深薄的一側(cè)，要加密觀測(cè)點(diǎn)。地表沉降觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置,如圖2所示。

4監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及頻率

圖2　地表沉降觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置

3.2　監(jiān)控量測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)采用Leica反射膜片，粘貼在預(yù)埋鋼板上(如圖3)：1)根據(jù)圍巖等級(jí)及布點(diǎn)斷面原則，在計(jì)劃布點(diǎn)處鉆孔，直徑為Φ20～Φ50，深度為150 mm的孔。用錨固劑或水泥砂漿灌注預(yù)埋件(如圖3)，需注意的是隧道兩側(cè)邊墻要對(duì)稱埋設(shè)；2)鋼板要求經(jīng)過防銹處理，反射膜片可用強(qiáng)力膠粘附于鋼板上；3)膜片方向即隧道口方向；4)當(dāng)錨固強(qiáng)度穩(wěn)定后，開始測(cè)量。

圖3　測(cè)點(diǎn)預(yù)埋件

表2為監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及頻率表。

表2　監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及頻率計(jì)劃表

表2(續(xù))

注：B為隧道開挖寬度

5地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察

1)地質(zhì)方面觀察節(jié)理裂隙發(fā)育程度，開挖后的穩(wěn)定狀態(tài),如石塊坍塌現(xiàn)象。查看周圍是否有涌水現(xiàn)象，確定涌水的位置、涌水量及底板是否有隆起現(xiàn)象等。

2)混凝土噴射支護(hù)層是否有裂縫、剝離或破壞，拱架是否擠壓并產(chǎn)生變形。當(dāng)拱頂混凝土噴層因受彎曲壓縮出現(xiàn)裂縫時(shí)應(yīng)當(dāng)引起注意、特別是拱頂混凝土噴層出現(xiàn)有對(duì)稱性局部的崩落，側(cè)墻內(nèi)移時(shí)是危險(xiǎn)征兆。

6監(jiān)控量測(cè)方法

隧道圍巖凈空的變化和拱頂下沉變化，可用接觸式量測(cè)或非接觸式量測(cè)，由于非接觸量測(cè)有諸多優(yōu)點(diǎn)，我們均采用非接觸量測(cè)。其方法是通過不同時(shí)間點(diǎn)的三維坐標(biāo)對(duì)比(xt,yt，zt)，判斷測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間段坐標(biāo)值的變化。在觀測(cè)前，后視基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)必須定期校核，同時(shí)外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)要求如下：1)采用2″或2 mm+2×10-6的全站儀，且必須年檢合格；2)自由設(shè)測(cè)站的位置要靠近隧道中心線，并距離監(jiān)控?cái)嗝孀罱嚯x要大于20 m，一次設(shè)站可以同時(shí)對(duì)幾個(gè)斷面進(jìn)行觀測(cè)，但最遠(yuǎn)斷面的監(jiān)控距離要視光線強(qiáng)度確定；3)注意在觀測(cè)前，要實(shí)時(shí)地在全站儀上檢核溫度和氣壓；測(cè)量時(shí)，每個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)都要盤左和盤右測(cè)一個(gè)測(cè)回，并存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)；4)觀測(cè)中保持監(jiān)控人員和儀器穩(wěn)定，避免系統(tǒng)誤差對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響；

7數(shù)據(jù)分析與處理

通過實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制時(shí)態(tài)變化曲線。我們選用曲線回歸法來預(yù)測(cè)終值，這樣，通過與控制基準(zhǔn)值比較，對(duì)圍巖變化狀態(tài)、施工方法進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，及時(shí)做出判斷性結(jié)論，指導(dǎo)并提出對(duì)策或建議。表3是現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的某一斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。

表3　GDK80+233斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間三維坐標(biāo)記錄表

通過記錄表可知，每個(gè)斷面中的觀測(cè)點(diǎn)在每一測(cè)站中都有4個(gè)坐標(biāo)觀測(cè)值，為消除外業(yè)觀測(cè)中可能會(huì)產(chǎn)生的誤差，我們采用中位數(shù)的方法，確定各觀測(cè)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。也就是把同一測(cè)站的各觀測(cè)點(diǎn)的4個(gè)坐標(biāo)值，按坐標(biāo)分量X、Y、Z，分別從小到大進(jìn)行排序：X(x(1)x(2)x(3)x(4))，Y(y(1)y(2)y(3)y(4))，Z(z(1)z(2)z(3)z(4))。去掉最小和最大的坐標(biāo)分量觀測(cè)值(x(1)x(4)y(1)y(4)z(1)z(4))，再用中間的2個(gè)坐標(biāo)觀測(cè)值計(jì)算算術(shù)平均值：

圖4　觀測(cè)點(diǎn)的空間布置示意圖

對(duì)于拱頂觀測(cè)點(diǎn)C，到AE的空間距離，設(shè)為Hi，則：

以此類推，我們也可以計(jì)算出第i+1期的C點(diǎn)到AE的空間距離Hi+1，那么這兩期的拱頂下沉變化量就是(Hi-Hi+1)，通過計(jì)算各個(gè)時(shí)期的凈空水平收斂觀測(cè)線長(zhǎng)度，以及相應(yīng)拱頂下沉的變化量、累積變化量，就可以判斷圍巖變化程度，拱頂沉降變化示例圖，如圖5所示。

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)分析處理結(jié)果，對(duì)圍巖是否穩(wěn)定，做出綜合判斷：根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析及回歸法預(yù)測(cè)最大位移值，如不大于2/3極限相對(duì)位移值，或水平收斂觀測(cè)線長(zhǎng)度變化速度小于0.2 mm/d，或根據(jù)回歸分析后，位移時(shí)態(tài)曲線呈現(xiàn)下圖形態(tài)，則可以判斷圍巖基本穩(wěn)定，可以實(shí)施二襯。當(dāng)水平收斂觀測(cè)線長(zhǎng)度變化速度大于1～2 mm/d時(shí)，或位移時(shí)態(tài)曲線呈現(xiàn)反方向曲線時(shí)，說明該圍巖已處于惡劣變形狀態(tài)，需立即停止施工，采取措施。

圖5　DK22+673拱頂沉降曲線變化圖

8結(jié)語

監(jiān)控量測(cè)的方法與應(yīng)用，能夠定量判斷隧道圍巖的變化情況，幫助我們正確判斷施工的安全程度，從而減少事故的發(fā)生。在實(shí)際操作過程中，數(shù)據(jù)觀測(cè)極為重要，它的準(zhǔn)確性直接影響判斷和結(jié)論，所以，隧道開挖施工時(shí)，特別注意觀測(cè)點(diǎn)的保護(hù)工作，防止反射膜片被水泥漿覆蓋，甚至脫落、丟失。要經(jīng)常檢查，及時(shí)處理，使觀測(cè)點(diǎn)始終保持完好狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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The monitoring measurement method and analysis to high speed railway tunnel

DONG Chang-quan

(ShenyangEngineeringBuild&SupervisionCo.,Shenyang110001,China)

Abstract：Through the high-speed railway tunnel construction, this paper introduces the methods on monitoring measurement section and measuring points layout, monitoring measurement projects and monitoring frequency, analyzes the geological and supporting situation after the tunnel excavation, and analyzes the monitoring data and the results.

Key words：high speed railway; tunnel; monitoring measurement; data analysis